摘要为了提前发现并阻止火灾的发生，提高人们的警觉性，防止和减少火灾引起的事故。设计出以模数电和传感器技术为设计方法，基于实用、广泛和典型的原则，由三端集成稳压电路、半导体电阻式烟雾传感器、555集成电路等元器件构成的烟雾报警电路，可实现烟雾检测和声光报警功能。并且运用电子仿真软件进行电路仿真、实物制作来实现设计的功能。电路选用半导体烟雾传感器MQ-2型，对烟雾进行检测。运用555集成电路实现声光报警，及时提醒用户。本设计是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、使用寿命长等优点的烟雾报警电路，且具有一定的实用性。关键词烟雾传感器；555集成电路；声光报警目录摘要1第1章绪论21.1 论文研究背景、目的和意义21.1.1 论文研究背景21.1.2 论文研究目的和意义21.2 国内外发展状况2第2章方案论证42.1 设计方案的介绍42.1.1 方案一42.1.2 方案二52.2 设计方案的选定5第3章单元电路设计73.1 电源电路设计73.1.1 变压器73.1.2 桥式整流电路83.1.3 滤波电路83.1.4 三端集成稳压电路93.2 烟雾检测电路设计103.2.1 气体传感器的介绍103.2.2 烟雾传感器的选定103.2.3 半导体烟雾传感器简介113.2.4 烟雾检测电路133.3 555时基集成电路143.3.1 555时基电路简介143.3.2 555时基电路的工作原理153.3.3 555时基电路的工作模式163.4 声光报警电路173.5 整机电路的工作原理17第4章电路仿真与调试19第5章印制板制作与整机装配调试225.1 印制电路板设计225.2 印刷板制作工艺流程225.3 整机装配与调试23结论25参考文献26附录1整机电路原理图27附录2元件明细表28第1章绪论1.1 论文研究背景、目的和意义 1.1.1 论文研究背景 随着科技的发展，越来越多的安全隐患由工业生产和人们的日常生活而产生。

为了更早发现和阻止火灾的发生，防止因火灾引起的燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及人的生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测电路，严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。也是科学技术和社会发展的必然要求。因此，研究烟雾的检测方法与烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要方向。 1.1.2 论文研究目的和意义 为了提前发现和阻止火灾发生，防止和减少火灾引起的燃烧、爆炸等事故，造成社会严重的经济损失，甚至危及人的生命安全。因此，研究烟雾的检测方法与烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。本设计中的烟雾报警电路是能够检测环境中的烟雾浓度并具有声光报警功能的电路。该报警电路是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。因此研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并符合国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。1.2 国内外发展状况 我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。

但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。国外从20世纪30年代开始研究并开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年～2002年烟雾传感器年均增长率为27%～30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测 仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。 烟雾报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、有毒有害烟雾报警器三大系列产品。1.民用火灾烟雾报警器 民用火灾烟雾报警器为居民家庭用的火灾报警器,一般安装在厨房，遇到火灾产生的烟雾时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把烟雾排出室外。 2.工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。

第2章方案论证2.1 设计方案的介绍烟雾报警电路是能够检测环境中的烟雾浓度，若达到一定的值时具有报警功能的电路。根据烟雾报警电路的设计要求，在本次的设计中有两种设计方案可选择:一种是由555时基集成电路为核心器件构成的烟雾报警电路，另一种是由LM324集成电路为核心器件构成的烟雾报警电路。以下是对两种不同设计方案的介绍。2.1.1 方案一以555时基电路为核心的报警电路此方案电路的最基本部分是由直流稳压电源、气敏传感元件和触发、报警电路等组成。降压整流与稳压电路由变压器、桥氏整流电路、集成稳压等组成触发报警电路由可控多谐振荡器(555和等组成。其适用于煤气、天然气、汽油、醇、醚类及各种烟雾的报警由于气敏元件工作时要求其加热电压相当稳定，所以利用7805三端集成稳压器对气敏元件加热灯丝进行稳压，且要求开机预热3分钟使报警器能稳定地工作在电压范围内电路省电且可靠性高。图2-1 电路组成框图本方案是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉等优点的烟雾报警电路，且具有一定的实用价值。2.1.2 方案二以LM324集成电路为核心构成的报警电路。此方案的电路组成框图如图2-2所示，整个电路分为电源、检测、定时报警输出三部分。

电路的结构较为简单。其核心的元件是烟雾传感器和LM324集成电路。电源部分是由变压器、电桥、集成电路、集成电路几部分构成的。电路检测部分是由烟雾传感器和一个电位器组成，报警电路是由LM324集成块、三极管及扬声器组成。在此方案中烟感元件采用HQ-2气敏管，在电路加点的瞬间，气敏管可能会导通一下，但如果长期搁置时再使用时，没有遇到烟雾时元件的电阻也可能会变小，所以需要预热10分钟的初始稳定时间后才能正常工作。因此，此电路的稳定性不是很高，灵敏度不是很高，容易出现误报警动作。使用的范围有一定的局限性。图2-2 电路组成框图2.2 设计方案的选定根据对前面介绍的两种方案的分析得出，方案一中的555时基电路比方案二中的LM324集成电路性能稳定，电路结构较严密，且更加符合实际中的使用需要。在方案二中在电源部分没有电源的指示灯，在使用中可能会对使用者带来不便，而在电路的报警部分，由于元件和电路本身的问题，可能会在电路的运行中会出现误报警的错误，且在电路的报警电路中，电路的设计中只有指示灯为报警信号。用户在使用时可能不会很容易就发觉出现烟雾的情况，引发火灾，从而带来人身和财产上的损失。

相反，在方案一中，设计里面的各个部分的设计考虑的较为严密，在电源部分使用三端稳压集成电路，产生稳定的5V电压，并且在集成块的两端加上一个反向的二极管，以保护三端稳压集成块，防止过高的电压击穿集成块。在烟雾检测电路部分，采用灵敏度较好的MQ-2型烟雾传感器，以确保整机在工作时不会出现因电路本身而产生的故障。在电路的报警部分，采用较为稳定的555时基电路作为电路的核心器件，在有报警指示灯的基础之上还加入了蜂鸣器，以提醒用户能够及时发现烟雾所引起的事故，以保障安全，使整机的作用得到最大的发挥，满足用户的使用需求。且方案本身是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉等优点的烟雾报警电路，且具有一定的实用价值。根据对两种方案烟雾报警电路应具备的功能要求的比较得出，方案一比方案二的电路设计好。所以在本次的毕业设计中采用第一种方案进行电路的设计，使整机电路更符合设计的要求。第3章单元电路设计3.1 电源电路设计在本设计中采用直流稳压电源为整机供电，直流稳压电源是一种将220V交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个完成图图3-2 电源电路原理图3.1.1 变压器电源变压器：降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路有两个共用一个铁芯的线圈初级线圈和次级线圈变压器的变比由变压器的电压确定当初级线圈通上交流电时，变压器铁芯产生交变磁场，次级线圈就产生感应电动势。

变压器的线圈的匝数比等于电压比。整流电路：利用单向导电元件把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流整流电路采用二极管单相全波整流电路，电路如图所示。在2的正半周内，二极管D1、D3导通，D、D4截止；2的负半周内，D、D4导通，D1、D截止。正负半周内部都有电流流过负载电阻RL，且方向是一致的。每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。C对直流开路，对交流阻抗小，所以电容C应该并联在负载两端。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，从而改善了直流电压的质量。本设计中采用单相桥式整流电容滤波电路。电容滤波电路如图3-5所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。电容滤波波形如图3-6所示。输出电压为：U0≈1.2U2图3-5 单相桥式电容滤波电路图3-6 单相桥式电容滤波波形图3.1.4 三端集成稳压电路稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化情况下，元件的极间的阻值较大，该电阻与的分压减小，相应使555④脚处于低电平，555停振，不工作当元件到可燃性气体或烟雾时，其极间的电阻降低，从而使该电阻与的分压上升，相应555④脚电位上升，当④脚的电位上升到V以上时图3-12 烟雾检测电路3.3 555时基集成电路3.3.1 555时基电路简介555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。

该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、施密特触发器和多谐，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。它的内部电标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。双极型的电压是+5V+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V+18V。集成电路内部结构集成电路内部结构555集成电路是双列直插型8脚封装，如图所示。1脚是地端()；2脚称触发端()，是下比较器的输入；3脚是输出端()，它有和两种状态，由输入端所加的电平决定；4脚是复位端()，加上低电平时可使输出为低电平；脚是控制电压端(),可用它改变上下触发电平值；脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入脚是放电端(D)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定脚是电源端(V)。555集成电路图1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为和。

C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。为复位端，当=0时，定时器输出OUT为0。当=1时，定时器有以下几种功能：(1)当高触发端，且低触发端时，比较器C1输出为低电平；C1输出的低电平将RS触发器置为0状态，即Q=0 ，使得定时器输出OUT为0，同时放电管VT导通。(2)当高触发端，且低触发端时，比较器C2输出为低电平，C2输出的低电平将RS触发器置为1状态，即Q=1，使得定时器的输出OUT为1，同时放电管VT截止。(3)当高触发端，且低触发端时，定时器的输出OUT和放电管VT的状态保持不变。根据以上分析，同时得出555定时器的功能表见表3-2所示。表3-2 555定时器的功能表输入输出××00导通10导通1不变不变11截止3.3.3 555时基电路的工作模式在本机中采用555时基电路构成的多谐振荡器工作模式对由烟雾信号转化成的电信号进行处理，如图3-15所示，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端Dc放电，使电路产生振荡。

电容C在和之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图3-16所示：图3-15 555构成多谐振荡器图3-16 多谐振荡器的波形图输出信号的振荡周期T是：T=tw1+=0.7（R1+R2）Ctw2=0.为Vc由上升到所需的时间，tw2为电容C放电所需的时间。555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ，但两者之和应不大于3.3MΩ。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。3.4 声光报警电路为使报警电路更加完善，在声音报警的基础上，加入LED光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，以弥补嘈杂环境中声音报警的局限性。声光报警电路图如图3-17所示。红灯不亮、蜂鸣器没有鸣叫表示电路处于无烟状态，环境中烟雾浓度极低。红灯闪亮和蜂鸣器发出鸣叫，表示环境中烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快采取相应安全措施。若浓度仍超出报警限，报警器会一直鸣叫，LED灯会一直闪烁以此来提醒用户。用户到达现场后，可断开电源，报警器停止报警。报警电路采用蜂鸣器和LED灯。

蜂鸣器：声音响亮，适用于烟雾报警声音源。LED灯：功耗小，节约能量。图3-17 声光报警电路图3.5 整机电路的工作原理设计中的烟雾报警电路主要由烟雾传感器和555集成电路及分立元件组成，电路将检测到的烟雾信号转化成电信号，经过555时基集成电路进行电位分析，判断电位是否大于或等于某个预设值(也就是临界报警值)。为方便调节临界报警值，在烟雾传感器检测电路部分安装了电位器。以下是电路的工作方式与过程：当电源开关闭合后，交流电经过降压、整流、滤波、稳压四个过程后，产生12V和5V的直流电压，给单元电路和整机供电。电路经预热3分钟后，整机进入工作状态。当电路处于无烟雾的情况下，元件的极间的阻值较大，该电阻与的分压减小，相应使555④脚处于低电平，555停振，不工作当元件接触到可燃性气体或烟雾时，其极间的电阻降低，从而使该电阻与的分压上升，相应555④脚电位上升，当④脚的电位上升到V以上时，555起振，其振荡频率=1.44／(R+2R5)C5。相应555的输出端③脚的输出信号动发出报警直到烟雾消失后电路才能恢复正常。烟雾报警整机电路如附录1所示。第4章电路仿真与调试电子仿真软件是由美国国家仪器公司(NI公司)公司推出，而在本次的毕业设计中就运用电子仿真软件进行虚拟仿真，软件中有许多传感器或新器件，只需要知道它们的特性和在电路中的作用，可以采用相似的元件代替进行仿真，这样可以大大地拓宽电子仿真软件的应用范围。

软件在仿真时并不存在损坏和烧毁元件、仪器等问题，只要电路设计好后就可以进行仿真测试，如仿真成功，则可以进行硬件电路的设计和实物电路的辅助制作。在整个电路中，电源部分是必不可少的，因此电源电路在整个电路中起到最重要的作用。在电源电路仿真部分，由V1表测试交流电经过电桥产生的12V左右的电压，为整个电路供电。而V2表测试由三端稳压器产生的5V左右的电压，为烟雾传感器供电。仿真图如图4-1所示：图4-1 电源仿真图由于在此仿真软件当中没有烟雾传感器，所以选用单掷开关J1代替。在整个电路中，主要是对电路进行以下几种工作情况的仿真。当整机电路在无烟雾的情况下时，烟雾传感器替代开关J1未闭合，即烟雾传感器没有检测到烟雾，报警电路不工作。如仿真图4-2所示，波形如图4-3所示。图4-2 无烟雾无报警状态图4-3 无报警时的输出波形当整机电路在检测到烟雾时，调节电位器R3的阻值为最佳（即临界值状态），烟雾传感器替代开关J1闭合，表示烟雾传感器检测到烟雾，此时555集成电路的第4脚的电压超过临界值2.8V，555集成电路起振，声光报警电路发出报警信号，如仿真图4-4所示：图4-4 有烟雾时的工作状态555时基电路输出的波形如图4-5所示：图4-5 报警时输出波形当整机电路工作在报警状态时，模拟用户到达现场后，关闭整机电路的电源，整个电路都停止工作。

如仿真图4-6所示：图4-6 停止工作状态在对模块电路的仿真与调试工作过程中，电源部分的作用很重要，产生的电压必须符合电路的需要，因此在对电路的仿真时，调试和计算元器件的参数是必须的。在整机的仿真和调试时，为了使蜂鸣器产生稳定的鸣叫和LED的正常发光，也就是使示波器产生的稳定的波形，因此对元件参数的反复调节和计算也是必须的，以保证电路在实际的运用中能稳定、正常的工作。第5章印制板制作与整机装配调试公司2001年正式推出了功能强大的EDA综合设计环境，它具有原理图设计、印制电路板设计、电路仿真及逻辑器件设计等功能。所以在本次的毕业设计中也采用软件进行电路设计和印制电路板的设计。5.1 印制电路板设计在本设计中，运用软件进行原理图绘制及印制电路板的设计，其中在用软件进行PCB板设计的主要过程为以下步骤：绘制电路原理图—PCB电气规格检查及标注调整—生成网络表—建立PCB文件、定义电路板—加载PCB元件库—加载网络表—元件布局—设计规则设置—自动布线—人工布线调整—打印PCB样图。经过以上的步骤，最后软件输出PCB板的三维效果图，如图5-1所示：图5-1 PCB板三维效果图5.2 印刷板制作工艺流程 工艺程序：确定整板周边尺寸—贴热转印纸—热转印—去除热转印纸—腐蚀—清洗—细砂纸擦光亮—涂松香水—钻孔定位—检查电路线。

1.将符合尺寸要求的覆铜板表面用细砂纸擦光亮,再用热转印纸粘贴到覆铜板上。2.贴热转印纸，贴完热转印纸后，应在板上垫放一张厚张，用手掌在上面压一压，其目的是使全部热转印纸与复铜板粘贴得更加牢靠，便于热转印。3.将已经贴好热转印纸的覆铜板用热转印机进行电路板的热转印，使热转印机的工作温度控制在150度左右，让热转印纸上的电路图充分的附着在覆铜板上。4.将转印好的覆铜板经冷却以后，去除热转印纸（注意不要损坏转印好的电路）。5.腐蚀过程一般采用三氯化铁作腐蚀液，腐蚀速度与腐蚀液的浓度、温度及腐蚀过程中不断的抖动有关，为保证制板质量及提高腐蚀速度，可采用抖动和加热的方法。6.将已经腐蚀好的印制板用清水冲洗，去掉残留在印制板上的三氯化铁腐蚀液，再晾干。用细砂布将印刷板复铜面擦至光亮为止，然后立即涂上松香溶液，晾干。（涂松香水时应将印刷电路板倾斜再涂上松香水）。7.将晾干的印制板用直径1.0mm钻头的钻孔机钻孔、定位，完成后检查电路线。5.3 整机装配与调试经过前面的一系列的工作过程后，最后部分是整机的装配和调试，按照整机电路的设计图，搭接实物电路，且按照PCB板的效果图中的电路进行元件的安装、焊接、调试。

最后组装完成出如图5-2所示的整机实物电路。图5-2 实物其具体的装配过程如下：1.做好装配前的准备工作，包括工具、仪器、材料等。2.清理和检测元件的好坏。3.元件的焊接，按照先小后大，先轻后重，先里后外的规则。并确定是卧装还是立装，按照工艺要求，个别元件要进行引脚的整形，再进行焊接。4.剪引脚，元件焊接完成后，剪掉元件较长的引脚。5.清洗与检查，用工业酒精对残留有助焊剂的焊盘进行清洗，按照原理图，对照焊接的电路，观察有无错焊的元件，也可以借助仪表进行检测。装配完成以后，进行整机电路的调试，其过程是：按照电路先静态，后动态，先局部，后整体的调试的基本原则进行。同时借助仪表进行测试点的的检测，如果测得的数据与电路的技术指标相符，确定无误后，再进行通电测试。若不能正常工作，则必须对电路进一步检测，观察有无元器件错焊、漏焊等，有错误立即纠正。调试直到整机能够正常工作为止。结论在本次毕业设计中，我的毕业设计题目是“烟雾报警电路设计”，主要以模数电知识和传感器知识为核心，结合相关的学习软件辅助设计，最终完成了整个毕业设计。在做整个毕业设计过程中，主要完成了以下的内容：方案的设计、方案的选择、电路的设计、电路的软件仿真、实物电路的制作和调试、论文的撰写等。

通过本次毕业设计，发现自己原来在专业知识方面很欠缺，大部分只知道概念，在实际中不能灵活的运用，所以我重新对模数电的理论知识进行了复习。虽然在电路设计和仿真调试时遇到了很多困难，但是通过查阅相关的资料，对运用到的电路设计软件进行了学习，并掌握其使用方法，才使这些困难得以解决。在论文初稿完成后发现内容相当空洞，没有涉及到实际的应用要求。在经过反复的修改之后内容结构比较清晰了，知道应该如何才能做得更好。在烟雾报警电路的实物制作和调试中发现，虽然整个电路的适用性还是较强，性能稳定，但是在准确性及整机的体积方面还存在一些不足，可以采取将电路中的分离元件替换成贴片元件，减小体积，同时也有利于整机的工作时的准确性，但成本较高。在完成整个毕业设计过程中，我学习到了不少的知识，深知专业知识要与实践相结合才能有所收获，感觉这段时间的收获比平时学习的理论知识收获还要多。相信通过本次的毕业设计，其过程将会对以后的工作和学习产生积极的影响。由于在本次的毕业设计中个人的知识和能力有限，这方面的经验不足，设计中可能有诸多的不足之处，希望老师们对我的设计提出宝贵意见。参考文献[1] 陈有卿.555时基电路原理运用.北京:电子工业出版社，2007[2] 肖景和.555集成电路应用精粹.北京:人民邮电出版社，2007[3] 贾正松.数字电子技术基础.北京:北京理工大学出版社，2009[4] 陈梓城.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社，2008[5] 张玉莲.传感器与自动检测技术.北京:机械工业出版社，2010[6] 任为民.电子技术基础课程设计.北京:中央广播电视大学出版社，1997[7] 田亮.综合电子设计与实践.南京:东南大学出版社，2002[8] 陈尔绍.传感器实用装置制作集锦.北京:人民邮电出版社，2000[9] 余宏生.电子CAD技能实训.北京:人民邮电出版社，2008[10] 黄继昌.实用报警电路.北京:人民邮电出版社，2005[11] 梁德厚.数字电子技术及应用.北京:机械工业出版社，2003[12] 张永瑞.电路分析.西安:西安电子科技大学出版社，